基于咔唑并二噻二唑和二噻吩硅杂环戊二烯的D-A共轭聚合物有机太阳能电池分子设计

【摘要】：聚合物主体异质结电池的性能已经得到了很大的提高,最有潜力的聚合物主体异质结电池的活性层是由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物通过溶液共混获得的。近几年,聚合物太阳能电池受到了人们广泛的关注,由于它易加工,器件结构简单,成本低,质量轻,可溶液加工以及能制备成大面的柔性器件等很多优点。最近,PSCs的光电转化率(PCE)已经超过8%。但是这个效率仍然不能满足商业化的要求。因此,PSCs主要的研究在于提高器件的PCE,而提高PCE的重点在于设计和合成高效的共轭聚合物给体。一种理想的共轭聚合物光伏材料应该具有宽的光谱吸收、理想的HOMO和LUMO能级以及高的载流子迁移率。为了得到高性能的光伏材料,本文合成了一种电子受体单元和一种电子给体单元,并进一步合成了给体-受体结构的共轭聚合物。 基于咔唑设计合成了一个新的单体,N-十二烷基-2,7-二溴-咔唑并[3,4-c：5,6-c]二噻二唑(CBT),由两个噻二唑连接在咔唑的3,4-和5,6-位上形成两个5元稠环而构成,并且和苯并噻二唑(BDT)通过Stille偶联获得获得了新的D-A共轭聚合物：聚{N-十二烷基-咔唑并[3,4-c：5,6-c]二噻二唑-alt-4,8-双(2-乙基己基氧基)苯并[1,2-b：4,5-b']二噻吩}(PCBTBDT)。该聚合物具有较低的分子最高占有轨道(HOMO)-5.41eV和较宽的紫外吸收,同时与太阳光子流密度相匹配。当聚合物与[6,6]-苯基-C61丁酸酸甲基酯(PC61BM)共混制成器件时,光电转化效率PCE为2.0%,同时有较高的开路电压(Voc)0.77V。通过退火和添加1,8-二碘辛烷等优化后,器件效率反而降低了。这是由于强的共平面结构使得分子间的作用加强,以上的优化操作使聚合物形成更大的相聚集,最终减小了异质结的面积,破坏了电荷传输的通道。 基于二噻吩硅杂环戊二烯(DTS)和含有酮基的噻吩并[3,4-b]噻吩(TT)衍生物,通过stille偶联获得聚{4,4’-二(2-乙基己基)-二噻吩[3,2-b：2',3’-d]硅-alt-1-(噻吩[3,4-b]噻吩-2-基)-2-乙基己基-1-酮}(PDTSTT)和聚{4,4'--(2-乙基己基)-二噻吩[3,2-b：2',3'-d]硅-alt-1-(4,6-二(4-乙基己基噻吩-2-基)噻吩[3,4-b]噻吩-2-基)-2-乙基己基-1-酮}(PDTSDTTT),应用于有机太阳能电池中,并研究引入桥连噻吩对后,对几何结构和光电性能的影响。聚合物PDTSTT和PDTSDTTT的光学带隙分别为1.54和2.02eV,并且两个具有较低的HOMO能级,分别为-5.47和-5.37eV。对比PDTSTT,在聚合物中引入桥连噻吩,有利于减少DTS与TT之间的空间位阻,从而减小了DTS与TT之间的二面角。即使PDTSTT有更宽的吸收,但是PDTSDTTT平面性好,增加了共轭长度,并且活性层形成了好的表面形貌有利于电荷的分离传输。因此在AM1.5G,100mW/cm2的光照下,PDTSDTTT/PC61BM (1:1wt.%)获得的PCE为1.0%,而PDTSTT/PC61BM(1:2wt.%)只有0.7%。 【关键词】：共轭聚合物 能级 聚合物太阳能电池 光伏性能 能量转化效率
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O631.3;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-31
• 1.1 引言9
• 1.2 聚合物有机太阳能电池9-13
• 1.2.1 聚合物太阳电池的工作原理和器件结构9-12
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的主要性能参数12-13
• 1.3 合理的设计给体13-16
• 1.3.1 给体材料应具有的性质13-15
• 1.3.2 调节共轭聚合物能带间隙的方法15-16
• 1.3.3 其他方面16
• 1.4 有机太阳能电池中的共轭聚合物16-29
• 1.4.1 聚噻吩类17-19
• 1.4.2 给体(D)-受体(A)类型窄带隙聚合物19-22
• 1.4.3 给体(D)-受体(A)类型较宽带隙聚合物22-24
• 1.4.4 包含噻吩并[3,4-b]噻吩形成了窄带隙共轭聚合物24-27
• 1.4.5 二维共轭聚合物27-29
• 1.5 本课题提出的意义和研究内容29-31
• 第2章 基于咔唑并二噻二唑与苯并二噻吩的聚合物合成和光学性能研究31-48
• 2.1 引言31-32
• 2.2 实验部分32-36
• 2.2.1 实验原料32
• 2.2.2 验仪器及分析表征手段32-33
• 2.2.3 器件制备和性能表征33-34
• 2.2.4 单体的合成34-36
• 2.3 结果与讨论36-47
• 2.3.1 单体和聚合物结构表征36-37
• 2.3.2 聚合物的热稳定性37-38
• 2.3.3 聚合物的光学性能38-41
• 2.3.4 聚合物的电化学性质41-43
• 2.3.5 聚合物的微观结构43-44
• 2.3.6 聚合物的光伏性能44-46
• 2.3.7 共混薄膜的表面形貌46-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第3章 基于二噻吩硅杂环戊二烯和噻吩并[3,4-b]噻吩衍生物共聚物的合成及光伏性能的研究48-65
• 3.1 引言48-49
• 3.2 实验部分49-52
• 3.2.1 实验原料49
• 3.2.2 试剂的纯化49
• 3.2.3 实验仪器及表征手段49-50
• 3.2.4 器件制备和性能表征50-51
• 3.2.5 单体和聚合物的合成51-52
• 3.3 结果与讨论52-63
• 3.3.1 单体和聚合物的合成及表征52-54
• 3.3.2 聚合物的热稳定性54-55
• 3.3.3 聚合物的光学性能55-57
• 3.3.4 聚合物的电化学性能57-58
• 3.3.5 聚合物的微观结构58-59
• 3.3.6 聚合物的光伏性能59-61
• 3.3.7 共混膜的表面形貌61-63
• 3.4 本章小结63-65
• 第4章 结论与展望65-67
• 4.1 结论65-66
• 4.2 展望66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-76
• 读学位期间的研究成果76

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